快速原型制作：3D 打印的演变

快速原型制作 自成立以来，一直是增材制造的主要优势之一。虽然使用早期技术制作原型可能需要数天、数周甚至数月的时间，但通过增材制造，原型几乎可以在一夜之间完成，从而显着加快产品设计和开发阶段。

创造概念或耐用的能力，功能原型在很短的时间内使 3D 打印成为理想的解决方案，可以更快地从构思到生产。今天，我们将看看快速原型和 AM 的演变，以及它们在产品开发阶段的价值。

什么是快速原型制作？

快速原型制作是指使用CAD数据快速制作模型和原型。此类模型在产品开发阶段经过视觉和/或功能测试和验证。

快速原型制作有多种好处，尤其是因为它提供了一种在生产最终产品之前评估和测试性能的经济高效的方法。虽然注塑成型等其他方法可用于原型制作，但由于涉及高昂的模具成本，并且无法快速进行设计更改，因此这可能并不总是正确的选择。

对更具创新性的设计解决方案和更快的上市速度的追求导致了更高效的流程的开发，特别适合快速创建原型——这就是 3D 打印最初出现的方式。

将原型设计提升到一个新的水平

随着 3D 打印的出现，产品设计师和工程师有办法将原型设计提升到一个新的水平。该技术无需工具（无需昂贵的工具），非常适合小批量生产，并且可以在更短的时间内生产零件。这意味着可以更快、更经济地生产原型——而且由于所有 3D 打印部件都源自数字 CAD 文件，因此设计也可以更轻松地更新和调整。

快速原型制作还可以帮助工程师在投入生产之前决定最终设计，从而减少代价高昂的错误的可能性。例如，德国计量和检测技术制造商 Wöhler 的产品设计师最近 3D 打印了木材水分仪设备的功能原型，其美学效果接近最终产品。该设备的原型由刚性和柔性组件组成，并且必须由不同的材料制成。为此，该公司使用立体光刻 (SLA) 工程级树脂创建了一个耐用的原型，能够经受功能测试而不会造成任何损坏。

功能原型在产品开发阶段尤为重要，为测试最终零件的机械性能提供了机会。

快速原型制作：3D 打印技术

3D 打印技术的出现将原型制作的概念提升到了新的高度。得益于增材制造技术的发展，功能原型现在可以在几个小时内用各种塑料和金属制成。

立体光刻

1980 年代立体光刻 (SLA) 的出现标志着快速原型时代的开始。该技术使用紫外激光来固化和固化超薄光聚合物树脂层，是需要精度或光滑表面光洁度的原型的选择。第一台 SLA 打印机是大型且不可靠的机器，用于生产表面粗糙的模型。然而，三年后，SLA 已经发展成为一种成熟且具有成本效益的工具，用于生产具有高尺寸精度和光滑表面光洁度的零件。现在市场上有许多 SLA 机器产品，从桌面打印机到更大的工业机器。 SLA 还提供种类繁多的材料，提供范围广泛的树脂材料。

虽然 SLA 被认为是最快的 3D 打印技术之一，但最近在还原聚合技术（SLA属于）导致了潜在更快流程的发展。一个例子是 Carbon 的连续液体界面生产 (CLIP) 技术。 CLIP 于 2015 年推出，可用于创建功能原型和最终零件，其机械性能、分辨率和表面光洁度与注塑成型零件非常相似。

选择性激光烧结

选择性激光烧结 (SLS) 是另一种早期的 3D 打印技术，出现于 1980 年代后期。该过程涉及使用强大的激光熔化塑料粉末材料。它最常用于航空航天和医学等行业，在这些行业中，原型的材料特性至关重要。

随着时间的推移，SLS 已经发展成为一种成熟的制造技术，提供高精度、速度、耐用性和所需支撑结构的组合——这就是为什么它通常被选择用于更复杂的功能原型。虽然该技术最初只能生产小物体，但今天 SLS 系统可以生产各种尺寸的原型，一些较大的机器可以打印一米或更长的零件。从尼龙和陶瓷到各种金属，范围广泛的材料也可以与 SLS 一起使用，使其成为商业应用的绝佳原型制作选择

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从历史上看，SLS 系统对于公司来说购买成本更高（成本高达数十万美元）。然而，该技术的专利在 2014 年到期，出现了更实惠的替代品，例如 Formlabs Fuse 1 台式 3D 打印机。

熔融沉积建模

自 1990 年代 Stratasys 在市场上出现以来，熔融沉积成型 (FDM) 已成为最常用的 3D 打印技术。部分原因是 2009 年多项 FDM 专利到期，此后掀起了一波价格显着降低的 FDM 桌面 3D 打印机浪潮——使该技术成为爱好者和公司等的重要切入点。

使用 FDM，热塑性长丝一次一层地挤出到印刷平台上。适用于 FDM 的材料范围也显着增加：今天，制造商可以选择具有各种特性的热塑性塑料，从弹性 TPU 到耐用和增强的 ABS，再到 PEEK 等高性能材料，从而在功能原型的生产中实现更大的灵活性。

全彩和多材料原型制作

粘合剂和材料喷射

2000 年代初出现的彩色和多材料 3D 打印技术为创建与最终部件精确复制的原型创造了激动人心的机会。粘合剂和材料喷射是越来越多地用于创建可以代表最终零件外观和感觉的模型的两项关键技术。这些过程的多色可能性也有助于简化后处理步骤，例如绘画。这两种技术的主要区别在于，粘合剂喷射使用粘合剂将塑料粉末融合在一起，而材料喷射通过沉积光固化树脂液滴来工作。

通过材料喷射，不仅可以3D打印具有不同颜色的原型，还可以3D打印结合不同材料特性（例如同时具有柔性和刚性）的部件。这为创建执行最终零件的拟合和功能的模型提供了很多机会。例如，Stratasys 的 J750 3D 打印机是该公司材料喷射系统中的最新产品。 J750 依赖于 Stratasys 的专有 PolyJet 技术，可同时使用 6 种不同材料进行多色和多材料 3D 打印。

高质量彩色 3D 打印正在快速发展，特别是随着惠普 Multi Jet Fusion (MJF) 技术的出现，该技术的操作类似于 Binder Jetting。据说 MJF 可以为 3D 打印部件增加更高的准确性、色彩鲜艳度和表面质量，在短短一天内生产出功能性尼龙原型。 Multi Jet 技术还可用于创建注塑模具以生产用于测试的零件，几乎与最终零件相同。

金属原型

某些应用，例如航空航天和汽车领域，需要一次性的功能性金属原型来验证零件的性能。幸运的是，3D 打印不仅使塑料原型制作变得经济，而且也使金属原型制作变得经济。减少材料浪费、免工具生产和更大的设计自由度使金属 3D 打印成为原型制作的一个有吸引力的选择。

金属 3D 打印的发展对功能性金属原型的生产产生了影响。例如，Markforged 的​​ Metal X 系统能够使用金属注射成型 (MIM) 打印金属零件，其时间和成本是传统金属 3D 打印机的一小部分。

一个警告：当需要大量时，使用数控加工或铸造等传统技术可能更可取，尽管 3D 打印通常是具有复杂内部特征的小批量原型的更实用的选择。

快速原型制作在哪里使用？

医疗、汽车、航空航天、消费品，应有尽有——几乎每个垂直行业都已经从使用 3D 打印生产原型中受益。

以汽车行业为例，快速成型仍然是增材技术的主要应用。汽车制造商福特 通过使用 3D 打印进行原型制作，已经能够节省数月的交付时间。福特工程师可以使用 3D 打印同时生产原型的多个副本，每个副本都具有独特的功能。这使他们能够执行并行测试，加速和改进零件开发。最近，福特开始快速制作大型汽车零件的原型。使用 Stratasys 的 Infinite Build 3D 打印机，该公司计划开发新的轻型部件，以提高燃油效率。

通过 3D 打印的快速原型制作也越来越多地用于开发电子产品，尤其是印刷电路板（印刷电路板）。 PHYTEC 为工业嵌入式市场提供尖端解决方案的供应商，转向 Nano Dimension 的 DragonFly 2020 3D 打印机开发功能电路板。

该机器采用多材料 3D 打印技术，沉积导电油墨，可在 12 至 18 小时内 3D 打印 PCB - 比使用传统方法订购和制造 PCB 快 10 至 15 倍。这使公司能够在开发阶段更早地接收功能原型，从而大大缩短开发周期时间并最终提高最终产品的质量。

RP 和 3D 打印——仍在发展中

自 1980 年代以来，用于快速原型制作的 3D 打印已经取得了长足的进步，并且已经发展成为一种强大的制造解决方案。对于刚接触该技术的公司而言，3D 打印提供了一种理想的解决方案，可用于生产可靠的功能原型并加快产品设计和开发阶段。关键问题将是如何将技术集成到现有框架和流程中，以确保公司能够更好地利用数字制造技术的优势。

当然，虽然我们已经了解了用于快速原型制作的 3D 打印的演变，但市场也看到了终端部件向 3D 打印的发展。展望未来，3D打印将继续向终端生产迈进，成为开发和生产各个阶段的柔性制造解决方案。